СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УПРАЖНЕНИЙ СОПРЯЖЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ В ЦИКЛИЧЕСКИХ ВИДАХ СПОРТА Российский патент 1999 года по МПК A63B21/00 

Изобретение относится к спорту, а именно к способам определения упражнений сопряженного воздействия в циклических видах спорта.

Сопряженным называется такое специальное упражнение, которое соответствует основному по двум признакам. Во-первых, оно должно быть эффективно - т. е. по каким-то параметрам, характеризующим его воздействие на физическую подготовленность спортсмена, должно превышать основное упражнение; во-вторых, оно должно быть адекватно основному упражнению - то есть его структура должна незначительно отличаться от основного упражнения, что позволяет его использовать для повышения технической подготовленности спортсмена.

Основное упражнение - вид спорта, в котором спортсмен участвует в соревнованиях. Специальные упражнения применяются для развития необходимых качеств атлета, а также для обучения технике и тактике (1).

Известен "Способ и установка для автоматической тренировки профессиональных навыков", основанный на видеосъемке двумя телекамерами звеньев тела человека, выполняющего физические упражнения, расчете с помощью компьютера кинематических или динамических характеристик движения, сравнении их с эталонными значениями и определении по величине расхождения эффективности выполнения упражнений и необходимых коррекций (2). Этот способ позволяет количественно оценить сходство кинематических или динамических характеристик движения, однако не позволяет сопоставить координацию работы мышц, а также оценить воздействие упражнения на уровень физической подготовленности спортсмена (физическая подготовленность спортсмена зависит от уровня развития его физических способностей, необходимых в спортивной деятельности: силовых, скоростных, выносливости и т.д. (3)).

Известен способ классификации спортивных движений, основанный на сопоставлении электрической активности различных мышц основного и анализируемого движения путем составления кода (образа) движения: в зависимости от наличия (или отсутствия) активности мышцы в определенной фазе движения ее активность обозначается определенной цифрой (4). Однако этот способ не учитывает соответствия кинематических или динамических характеристик сравниваемых движений.

Известен способ определения эффективности специальных упражнений в легкой атлетике путем киносъемки спортсмена при выполнении основного и специальных упражнений, измерения межзвенных углов, антропометрических признаков и расчета в качестве критерия эффективности значений максимальных скоростей изменения длины выбранных мышц (5). Этот способ позволяет подбирать специальные упражнения, повышающие уровень скоростно-силовой подготовленности спортсменов, но не учитывает их воздействия на другие качества и на уровень технической подготовки спортсмена (технической подготовкой называют обучение спортсмена технике действий, выполняемых в состязании или служащих средствами тренировки, и доведение сформированной техники до необходимой степени совершенства (3)).

Известен способ оценки биодинамики ходьбы в норме и на протезах (6). В качестве критерия, по которому автор предлагает подбирать протез, является соответствие обобщенных фазовых траекторий системы "бедро-голень", полученных для ходьбы в норме и на протезах. Чем больше разность площадей, ограниченных фазовыми траекториями, полученными при ходьбе в норме и на протезах, тем хуже конструкция протеза. Основным недостатком этого способа является невозможность оценки координации работы мышц.

Наиболее близким аналогом является "Способ подбора специальных упражнений в спорте", основанный на регистрации биопотенциалов мышц и киносъемке спортсмена при выполнении им основного и специальных упражнений; определении морфометрических характеристик мышц: длины (ΔL) и скорости ее сокращения (L') построении фазовых траекторий мышц в координатах L′(ΔL) (7). На основе сопоставления суммарной электрической активности мышц при выполнении основного и специального упражнений, а также фазовых траекторий с нанесенной на них электрической активностью мышц рассчитываются коэффициенты физического воздействия, технического воздействия и общей эффективности упражнения. Этот способ имеет ряд недостатков. Во-первых, сравнение фазовых траекторий основного движения и специального упражнения производится в одной точке - месте соответствующей наибольшей активности мышцы. Однако особенности расположения фазовых траекторий основного и специального упражнения могут быть такими, что в точке, соответствующей наибольшей активности мышцы расстояние между фазовыми траекториями будет минимальным, в то время как в других точках различия между фазовыми траекториями могут быть очень большими. Во-вторых, мышца в цикле движения может быть активна несколько раз. Данный способ предполагает однократную активность мышцы. В-третьих, итоговый коэффициент эффективности включает в себя коэффициент физической подготовленности, который целесообразно использовать при оценке специальных упражнений бегунов на средние дистанции, однако его нецелесообразно использовать для оценки специальных упражнений спринтеров.

Задача изобретения - повышение эффективности тренировочного процесса.

Технический результат достигается тем, что в способе определения упражнений сопряженного воздействия в циклических видах спорта, при котором, при выполнении спортсменом основного и специальных упражнений, регистрируют биопотенциалы мышц, выполняют киносъемку спортсмена, измеряют антропометрические признаки, определяют периоды электрической активности мышц, относительную длину и скорость сокращения мышц, строят фазовые траектории мышц, согласно изобретению вначале определяют эффективность специального упражнения на основе расчета критерия эффективности упражнения (3).

где L'_max(S) - максимальная скорость растяжения мышцы при выполнении специального упражнения;
L'_max(O) - максимальная скорость растяжения мышцы при выполнении основного упражнения,
а затем определяют адекватность упражнений на основе расчета критериев K_a1 и K_a2

где J_O, J_S - контуры (фазовые траектории мышц) основного и специального упражнений,
области, ограниченные контурами J_O и J_S,
S(D) - площадь области D,
симметрическая разность множеств O и S,
объединение множеств O и S,
при этом K_a1 отражает соответствие основного и специального упражнений на основе сопоставления фазовых траекторий мышц в координатах "относительная длина мышцы - скорость сокращения", а K_a2 определяют при сопоставлении четырехзначных, по числу секторов, на которые фазовые траектории делятся координатными осями, проходящими через точки, соответствующие L/L₀ = 1 и L'=0, кодов биоэлектрической активности мышц при выполнении основного и специального упражнения и принимает значение:
K_a2 = 1 - при полном совпадении кодов мышцы в четырех секторах,
K_a2 = 0,75 - при совпадении кодов мышцы в трех секторах,
K_a2 = 0,5 - при совпадении кодов мышцы в двух секторах,
K_a2 = 0,25 - при совпадении кодов мышцы в одном секторе,
после чего определяют результирующий критерий адекватности K_a, рассчитываемый по формуле
K_a = K_a1 • K_a2,
при этом K_a может принимать значения до 1, при полном соответствии упражнения основному движению, при этом нормативные критерии отнесения специального упражнения к упражнениям сопряженного воздействия в циклических видах спорта, критерии эффективности и адекватности устанавливаются выражениями:
K_э > 1, K_a ≥ 0,65.

Специальные упражнения подбираются так, что выполняются два условия:
1) специальное упражнение должно быть эффективным средством подготовки спортсмена, т.е. по каким-то показателям оно должно превышать показатели основного упражнения;
2) специальное упражнение должно быть адекватным основному упражнению, т.е. по своей структуре оно не должно сильно отличаться от основного упражнения. В противном случае значительно уменьшится эффект от его воздействия.

Согласно предлагаемому способу определения упражнений сопряженного воздействия в циклических видах спорта одновременно производится регистрация биопотенциалов мышц и киносъемка спортсмена при выполнении им основного и специальных упражнений. Оси суставов звеньев тела спортсмена отмечаются маркерами. Синхронизация записи биопотенциалов мышц и киносъемки осуществляется подачей синхронизирующего импульса на осциллограф и кинокамеру. При киносъемке наиболее быстрых спортивных движений, например спринтерского бега, достаточно частоты кадров до 70 кадр/с. Необходимые для расчета антропометрические характеристики определяются с помощью антропометра и линейки. По зарегистрированным электромиограммам и синхронизирующим импульсам на кинопленке и ленте осциллографа определяется длительность и расположение электрической активности в цикле движения. При помощи кинокомпаратора с кинопленки снимаются координаты маркеров. На основе этих данных по стандартной программе рассчитываются межзвенные углы, которые затем сглаживаются по пяти точкам (8). На основе значений углов и по полученным антропометрическим признакам вычисляются значения длины мышц (9):


где L_RF - длина прямой мышцы бедра, см;
L_BFcL - длина двуглавой мышцы бедра, см;
k - расстояние от центра вращения в коленном суставе до места прикрепления двуглавой мышцы бедра на малоберцовой кости, см;
l - расстояние от центра вращения в коленном суставе до места прикрепления прямой мышцы бедра на большеберцовой кости, см;
n - длина бедра (расстояние от центра вращения в коленном суставе до центра вращения в тазобедренном суставе), см;
p - расстояние от центра вращения в тазобедренном суставе до места прикрепления прямой мышцы бедра на подвздошной кости, см;
r - расстояние от центра вращения в тазобедренном суставе до места прикрепления двуглавой мышцы бедра на седалищном бугре, см;
R₃ - расстояние от центра вращения в коленном суставе до передней поверхности надколенной чашки, см;
α - угол между туловищем и бедром, град;
β - угол между бедром и голенью, град.

При α = 120^o, β = 130^o определяется значение L₀ для прямой и двуглавой мышц бедра. Относительная длина мышцы определялась как L/L₀. Затем определяется скорость сокращения мышц (L') как первая производная длины мышцы по времени. С учетом интервалов времени между кадрами при помощи стандартной процедуры численного дифференцирования значений длины мышц по пяти узлам для данных кинокадров вычисляются скорости изменения длины мышцы L'. Далее определяется максимальная скорость растяжения длины мышцы при выполнении упражнения и основного движения и вычисляется критерий эффективности упражнения (3)

где L'_max(S) - максимальная скорость растяжения мышцы при выполнении специального упражнения;
L'_max(O) - максимальная скорость растяжения мышцы при выполнении основного упражнения.

Будем считать, что специальное упражнение имеет тренирующий эффект для развития скоростно-силовых качеств мышц спортсмена, если скорость растяжения какой-либо из исследуемых мышц в процессе выполнения специального упражнения превышает таковой показатель при беге, то есть K_э > 1.

После этого в координатах L'(L/L₀) строятся фазовые траектории мышц основного и специального упражнения. Определяется площадь, соответствующая их объединению, и площадь, соответствующая их симметрической разности, и по формуле (4) вычисляется K_a1

где J_O, J_S - контуры (фазовые траектории мышц) основного и специального упражнений;
области, ограниченные контурами J_O и J_S;
S(D) - площадь области D;
симметрическая разность множеств O и S;
объединение множеств O и S (фиг.1).

Для оценки многократной активности мышцы в цикле движения используется следующее: на каждую из фазовых траекторий наносится электрическая активность мышцы в цикле движения, на основе которой составляется код (образ) мышечной активности при выполнении движения. Порядок составления кода следующий: активность мышцы в определенную фазу движения кодируется соответствующей цифрой: "0" - мышца пассивна, "1" - мышца активна в какой-либо части фазы, "2" - мышца активна на протяжении всей фазы. Если разделить фазовую траекторию мышцы на четыре сектора так, чтобы оси проходили через точки, соответствующие L/L₀ = 1 и L'= 0 (фиг. 2), то код активности мышцы при движении, которое отображено на фиг. 2, будет следующим: 2101. Сопоставляя коды мышц при выполнении специальных упражнений и бега, можно оценить адекватность координационной структуры этих видов движений. Будем считать что :
K_a2 = 1 - при полном совпадении кодов мышцы в четырех секторах,
K_a2 = 0,75 - при совпадении кодов мышцы в трех секторах,
K_a2 = 0,5 - при совпадении кодов мышцы в двух секторах,
K_a2 = 0,25 - при совпадении кодов мышцы в одном секторе,
K_a2 = 0 - при полном несовпадении кодов мышцы.

Тогда критерий адекватности основного и специального упражнений, отражающий соответствие внешней и внутренней структур этих движений будет иметь вид:
K_a = K_a1 • K_a2 (5)
K_a может принимать значения от 0 (полное отсутствие адекватности упражнения основному движению) до 1 (полное соответствие упражнения основному движению).

В качестве критического значения критерия адекватности упражнения K_a, то есть такой величины критерия, ниже которой нарушается адекватность упражнения, на основании результатов педагогического эксперимента, примем K_a = 0,65. Таким образом, если мы имеем два упражнения, обладающих высокой степенью эффективности, то упражнение 1 в отличие от упражнения 2 будет являться еще и упражнением сопряженного воздействия (фиг. 3) (под упражнением сопряженного воздействия понимается упражнение, которое эффективно по сравнению с основным и, кроме того, обладает достаточно высокой степенью адекватности).

Следует отметить, что предлагаемый в качестве критерия эффективности (3) коэффициент K_э удобен при анализе специальных упражнений в скоростно-силовых видах спорта. Если необходимо оценить эффективность и адекватность специальных упражнений, например в беге на средние дистанции, можно использовать другой критерий, по которому будут оцениваться специальные упражнения, а затем производить оценку адекватности упражнений по коэффициенту K_a. Таким образом, можно подбирать упражнения сопряженного воздействия (которые одновременно повышают уровень задачи технической и физической подготовленности спортсменов) в соответствии с задачами тренировки в различных видах спорта, имеющих циклическую структуру движений.

Данный способ предполагает свободное перемещение спортсменов в опорном и безопорном положении и может быть использован в различных видах спорта циклического характера или при овладении различными прикладными навыками.

Пример. Требуется оценить сопряженность специальных упражнений основному упражнению (то есть определить эффективность и адекватность специальных упражнений, используемых в тренировке спринтеров): бега с буксировкой груза 5 кг, бега с высоким подниманием бедра и прыжков с ноги на ногу.

При выполнении спортсменом поочередно основного циклического (например, спринтерского бега) и специальных упражнений регистрируются биопотенциалы двуглавой и прямой мышц бедра, как мышц, играющих ведущую роль в беге на короткие дистанции. Запись электрической активности мышц производится биполярными поверхностными электродами, сигналы от которых по гибкому кабелю, не стесняющему движения, поступают на светолучевой осциллограф Н-115. Скорость протяжки бумаги составляет от 250 до 1000 мм/с. Одновременно 35 миллиметровой кинокамерой 1 СКЛМ с частотой 70 кадров/с осуществляется киносъемка цикла движения (двойного шага) спортсмена, оси суставов нижних конечностей которого отмечены контрастными маркерами. От кинокамеры на осциллограф подаются синхронизирующие импульсы. После записи электромиограмм и киносъемки замеряются антропометрические признаки спортсмена: l - расстояние от центра вращения в коленном суставе до места прикрепления прямой мышцы бедра на большеберцовой кости, см; k - расстояние от центра вращения в коленном суставе до места прикрепления двуглавой мышцы бедра на малоберцовой кости, см; n - длина бедра (расстояние от центра вращения в тазобедренном суставе до центра вращения в коленном суставе); p - расстояние от центра вращения в тазобедренном суставе до места прикрепления прямой мышцы бедра на подвздошной кости, см; R₃ - расстояние от центра вращения в коленном суставе до передней поверхности надколенной чашки, см. Константа r непосредственно на испытуемом не измеряется, а берется из таблицы, в зависимости от пола испытуемого (9).

По электромиограммам определяются периоды электрической активности мышц, которые при помощи синхронизации сопоставляются с соответствующими кадрами кинопленки. С помощью полуавтоматического кинокомпаратора АК1 на отмеченных кадрах определяются углы между бедром и тазом (α), и между голенью и бедром (β). Значения углов вводятся в персональный компьютер (IBM PC/386). Рассчитывается интервал времени между кадрами как величина, обратная частоте кадров (Δt) = 1/70 = 0,0142 с. Значения антропометрических признаков и интервал времени также вводятся в компьютер. На основе программы расчета выполняется стандартная процедура нелинейного сглаживания экспериментальных данных (межзвенных углов) по пяти точкам, затем рассчитывается длина прямой и двуглавой мышцы бедра по формулам


где L_RF - длина прямой мышцы бедра, см;
L_BRcL - длина двуглавой мышцы бедра, см;
k - расстояние от центра вращения в коленном суставе до места прикрепления двуглавой мышцы бедра на малоберцовой кости, см;
l - расстояние от центра вращения в коленном суставе до места прикрепления прямой мышцы бедра на большеберцовой кости, см;
n - длина бедра (расстояние от центра вращения в коленном суставе до центра вращения в тазобедренном суставе), см;
p - расстояние от центра вращения в тазобедренном суставе до места прикрепления прямой мышцы бедра на подвздошной кости, см;
r - расстояние от центра вращения в тазобедренном суставе до места прикрепления двуглавой мышцы бедра на седалищном бугре, см;
R₃ - расстояние от центра вращения в КС до передней поверхности надколенной чашки, см;
α - угол между туловищем и бедром, град;
β - угол между бедром и голенью, град.

При α = 120^o, β = 130^o определялось значение L₀ для прямой и двуглавой мышц бедра. Относительная длина мышцы определялась как L/L₀. Затем определяется скорость сокращения мышц (L') как первая производная длины мышцы по времени. Результаты распечатываются и определяется максимальное значение скорости растяжения мышцы при выполнении основного и специального упражнений. На базе этих данных вычисляется критерий эффективности (3)

где L'_max(S) - максимальная скорость растяжения мышцы при выполнении специального упражнения;
L'_max(O) - максимальная скорость растяжения мышцы при выполнении основного упражнения.

В табл. 1 представлены значения максимальной скорости растяжения мышц при выполнении основного и специальных упражнений и вычисленный на основе этих данных K_э. Таким образом, по критерию эффективности (K_э > 1) эффективными упражнениями могут считаться бег с буксировкой груза 5 кг и бег с высоким подниманием бедра, так как они по скорости растяжения мышц превышают основное упражнение. Упражнение прыжки с ноги на ногу не является эффективным средством тренировки.

Адекватность упражнений оценивается вначале по критерию K_a1. Для этого на основе табличных данных о длине и скорости сокращения мышц строятся фазовые траектории мышц при выполнении основного и специальных упражнений (фиг. 4, 5) и по формуле (2) рассчитывается K_a1. Полученные данные представлены в табл. 2.

Нанесем на фазовые траектории зоны, соответствующие электрической активности мышц и оценим соответствие работы мышц при выполнении специального упражнения основному. Для этого составим "код активности мышцы". В табл. 3 представлены коды активности мышц бедра при выполнении специальных упражнений и бега, а также определенные на их основе значения K_a2.

После вычисления K_a2 по формуле 3 определим K_a (табл. 4).

Из полученных значений критерия K_a следует, что специальное упражнение, например бег с буксировкой груза, является средством сопряженного воздействия относительно основного упражнения - спринтерского бега (оно является эффективным (K_э = 1,13)) и обладает адекватностью спринтерскому бегу (K_a = 0,9). Специальное упражнение бег с высоким подниманием бедра и прыжки с ноги на ногу не являются средствами сопряженного воздействия. Специальное упражнение бег с высоким подниманием бедра является эффективным (K_э = 1,44), но не обладает достаточной степенью адекватности основному упражнению . Специальное упражнение прыжки с ноги на ногу не является эффективным средством (K_э = 0,67) и, кроме того, имеют низкую степень адекватности основному упражнению.

Литература:
1. Попов В.Б. Основы легкой атлетики. - М.: Физкультура и спорт, 1976, с. 86.

2. Патент США N 4337049, кл. A 63 B 21/00, 1982.

3. Матвеев Л.П. Теория и методика физической культуры. Учеб. для ин-тов физ. культ. - М.: Физкультура и спорт, 1991, с. 543.

4. Самсонова А.В. Методика начального обучения барьерному бегу девочек на основе координации мышечной активности: Дис. канд. пед. наук. - Л., 1983, с. 166.

5. Серов С.В. Плиометрическое упражнение как средство скоростно-силовой подготовки спринтеров-легкоатлетов на специально-подготовительном этапе: Автореф. дис.канд. пед. наук. - Л., 1988, с.22.

6. Клочков И. Б. Аналитический и аппаратурный методы исследования и оценка биодинамики ходьбы в норме и на протезах: Дис. канд. техн. наук. - Л. , 1973, с. 156.

7. Патент России N 2004272 кл. A 63 B 21/00, 1990.

8. Самсонова А. В. , Серов С.В. Бирбрайер В.В. Использование ПЭВМ для расчета морфометрических характеристик мышц. Тез. докл. 7 Всес. конф. - М., 1991.

9. Козлов И.М., Самсонова А.В., Соколов В.Г. Морфометрическая характеристика мышц нижних конечностей при движениях человека. Арх. анат., 1988, т. 89, вып 2. с. 47-52.

10. Козлов И. М. , Самсонова А.В., Синюхин А.Б. Константы для расчета морфометрических характеристик мышц: Тез. докл. конф. - СПб, 1992.

Использование: для определения упражнений сопряженного воздействия в циклических видах спорта. При выполнении спортсменом основного и специального упражнений регистрируются биопотенциалы мышц, выполняют киносъемку спортсмена, измеряют антропометрические признаки, определяют периоды электрической активности мышц, относительную длину и скорость сокращения мышц, строят фазовые траектории мышц. Способ основан на вычислении критериев эффектиктивности и адекватности специальных упражнений. Критерий эффективности оценивается по соотношению максимальных скоростей растяжения мышц при выполнении специального и основного упражнений. Критерий адекватности вычисляется на основе сопоставления фазовых траекторий мышц в коордитанах "относительная длина - скорость сокращения мышц", а также соответствия электрической активности мышц при выполнении основного и специального упражнений. Если специальное упражнение является эффективным средством развития скоростно-силовых качеств (К_э > 1) и помимо этого обладает высокой степенью адекватности основному упражнению (К_а≥0,65), то его можно отнести к упражнениям сопряженного воздействия, т.е. упражнениям, позволяющим одновременно повышать техническую и физическую подготовленность спортсмена. 5 ил., 4 табл.

Способ определения упражнений сопряженного воздействия в циклических видах спорта, при котором, при выполнении спортсменом основного и специальных упражнений регистрируют биопотенциалы мышц, выполняют киносъемку спортсмена, измеряют антропометрические признаки, определяют периоды электрической активности мышц, относительную длину и скорость сокращения мышц, строят фазовые трактории мышц, отличающийся тем, что вначале определяют эффективность специального упражнения, на основе расчета критерия эффективности

где L'_max(s) - максимальная скорость растяжения мышцы при выполнении специального упражнения;
L'_max(o) - максимальная скорость растяжения мышцы при выполнении основного упражнения, а затем определяют адекватность упражнений на основе расчета критериев K_a1 (2) и K_a2,

где J_o, J_s - контуры (фазовые траектории мышц) основного и специального упражнений;
области, ограниченные контурами J_o и J_s;
S(D) - площадь области D;
симметрическая разность множеств O и S;
объединение множеств O и S,
при этом K_a1 отражает соответствие основного и специального упражнений на основе сопоставления фазовых траекторий мышц в координатах "относительная длина мышцы - скорость сокращения", а K_a2 определяют при сопоставлении четырехзначных, по числу секторов, на которые фазовые траектории делятся координатными осями, проходящими через точки, соответствующие L/L_o = I и L' = 0, кодов биоэлектрической активности мышц при выполнении основного и специального упражнения и принимает значение:
K_a2 = 1 - при полном совпадении кодов мышцы в четырех секторах,
K_a2 = 0,75 - при совпадении кодов мышцы в трех секторах,
K_a2 = 0,5 - при совпадении кодов мышцы в двух секторах,
K_a2 = 0,25 - при совпадении кодов мышцы в одном секторе,
после чего определяют результирующий критерий адекватности K_a, рассчитываемый по формуле
K_a = K_a1 • K_a2 (3)
при этом K_a может принимать значения до 1, при полном соответствии упражнения основному движению, при этом нормативные критерии отнесения специального упражнения к упражнениям сопряженного воздействия в циклических видах спорта, критерии эффективности и адекватности, устанавливаются выражениями: K_э > 1, K_a ≥ 0,65.